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電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種在線圈中通以脈沖大電流產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，進(jìn)而在金屬工件中感應(yīng)渦流，磁場和渦流共同作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而驅(qū)動(dòng)材料發(fā)生塑性變形的高速率成形技術(shù)。其具有高效率、低損耗等優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶以及汽車等領(lǐng)域，但由于成形線圈在電磁成形過程中產(chǎn)生大量焦耳熱引起線圈溫升過高，使線圈使用壽命大大縮短，造成電磁成形設(shè)備使用壽命有限，使該技術(shù)無法滿足工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模長時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的要求，嚴(yán)重限制了電磁成形技術(shù)的發(fā)展。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)成形線圈的研究主要從線圈材料、繞制工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝位置這四個(gè)方面展開。其中，成形線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究最為豐富，不僅包括各式各樣的線圈整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有線圈的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

但遺憾的是，絕大部分關(guān)于成形線圈的結(jié)構(gòu)研究，是為了改善電磁成形效果，實(shí)現(xiàn)工件成形要求，而對(duì)于線圈在電磁成形過程中的溫升研究極少，僅有邱磊與劉良云以抑制線圈溫升為目的，探討了單層平板線圈匝間距與高度對(duì)線圈溫升的影響，驗(yàn)證了優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)能有效抑制線圈溫升。

線圈溫升作為影響其使用壽命的重要因素之一，是學(xué)者研究的重要方向。關(guān)于這一瓶頸，還有Cao Quanliang等和Qiu Li等分別利用放電電路中的續(xù)流回路、晶閘管開關(guān)改變放電電流波形，抑制電流振蕩衰減，減小線圈焦耳熱，降低線圈溫升。Qiu Li等通過在驅(qū)動(dòng)線圈旁放置額外的散熱線圈，以耦合散熱的方法減少驅(qū)動(dòng)線圈溫升。

上述研究雖已為線圈溫升抑制提供了方向，但秉承溫升越低越好的原則，解決方法還不夠多。雖有學(xué)者驗(yàn)證了優(yōu)化單層平板線圈部分結(jié)構(gòu)參數(shù)可抑制線圈溫升，但僅針對(duì)單層平板線圈，且僅考慮了兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線圈溫升的影響，不夠全面與詳細(xì)。故可通過詳細(xì)研究線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線圈溫升的影響情況，優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)，抑制線圈溫升，延緩線圈因溫升而加速老化，避免線圈絕緣破壞甚至燒毀，延長線圈使用壽命，促進(jìn)電磁成形技術(shù)更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。

鑒于此，華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心等單位的研究人員，圍繞電磁成形過程中線圈發(fā)熱的問題展開研究，提出了一種以優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)來抑制線圈溫升的新思路。

他們以螺線管線圈為研究對(duì)象，針對(duì)線圈繞制工藝的特點(diǎn)，利用電磁場—機(jī)械結(jié)構(gòu)場—溫度場耦合模型，詳細(xì)探討線圈結(jié)構(gòu)對(duì)線圈溫升的影響，總結(jié)線圈高度、寬度、層數(shù)、匝數(shù)、匝間距和層間距這六種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線圈溫升的影響規(guī)律，并簡要討論線圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)成形效果的影響，繼而綜合考慮線圈溫升與成形效果以比較各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響程度，為優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考建議。

圖1 模型求解流程

仿真結(jié)果如下：1）增加線圈層數(shù)與匝數(shù)能通過增大其受熱面積的方式減小線圈溫升；2）增大線圈寬度和高度也能增大其受熱面積，抑制線圈溫升，且一般能減少線圈焦耳熱，提高能量轉(zhuǎn)化率；3）線圈匝間距和層間距對(duì)線圈溫升的影響較小，溫升抑制效果較差，線圈溫升隨匝間距、層間距增加呈先減后增趨勢。

研究結(jié)果表明，優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)可有效抑制線圈溫升，且不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線圈溫升及成形效果的影響不同。本研究成果為提高線圈使用壽命指明了方向。

本文編自2021年第18期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電磁成形過程中線圈溫升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，作者為王紫葉、楊猛 等。